陈文贤，邓琳纳，陆潇，刘畑，祁庆芳，梁昌晶

(1. 国家管网集团联合管道有限责任公司 西部塔里木输油气分公司，新疆 库尔勒 841000；2. 中油国际管道有限公司，北京 100029；3. 中国石油长庆油田分公司 第十一采油厂，陕西 西安 710016；4. 中国石油新疆油田分公司 油气储运公司，新疆 昌吉 831100；5. 中国石油青海油田分公司 管道处，青海 格尔木 816000；6. 河北华北石油港华勘察规划设计有限公司，河北 任丘 062552)

对油气管道及站场设备进行风险评价，将事后处理转为事前处理，已成为完整性管理的重要组成部分。目前针对长输管道完整性的风险评价研究开展较早也较成熟，中国大部分长输管道的高后果区及高风险区均已实现定量风险评价，但油气站场的风险评价研究发展较慢。站场设备按照功能可分为静设备、动设备和安全仪表系统三类，其中静设备主要包括： 储罐、换热器、工艺管线、分离器等非转动类设备，是油气田开发生产的重要组成部分，约占站场设备的70%以上。该类设备经长时间服役，容易发生腐蚀穿孔、设备老化、机械损伤等缺陷，造成不必要的经济损失和环境污染。该类设备的日常无损检测通常需要拆除外部保温层并进行停产及降温作业，故检测周期无法保证，风险评价结果无法及时反馈给管理者，因此有必要建立基于站场静设备的失效分析模型。在此采用改进的故障树分析模型，通过编制软件实时分析失效可能性，重点排查重要度较高的因素，并对比基于规范的失效概率计算结果，以期为站场完整性管理提供理论依据和实际参考。

1 改进故障树模型

故障树通过对事故内在逻辑的推理和演绎，从根本上找到防止事故发生的方法和措施，是由逻辑与门、或门连接的树图结构。以人们所不期望发生的事件作为分析的对象事件，如火灾、爆炸、中毒事件等，通过调查事件发生的原因，包括同一设备或同一类型设备的事故经验，并加以整理，从顶事件出发，通过推理演绎，按照逻辑关系将其连接构成故障树模型。

故障树的定性分析是利用布尔代数表达式，查清系统从基本事件到顶事件的发展途径，求出引起顶事件发生的最少事件组合，通过计算最小割集和最小径集，得到各基本事件对顶事件发生的影响程度即结构重要度Iø(j)，并对其进行排序如式(1)所示：

(1)

式中：xj∈Gr——基本事件xj属于最小割集Gr；nj——基本事件xj所在的最小割集或径集中包括的基本事件个数。

定量分析是根据各基本事件的失效概率求出顶事件发生的概率函数g，采用最小割集进行计算，如式(2)所示，并与统计分析或现场检测得到的可能性等级进行对比，如两者不符，则需要重新构建故障树模型；根据顶事件的失效概率，进一步计算各基本事件的概率重要度系数，由于g属于多重线性函数，因此对qj求一阶偏导后可得到概率重要度Ig，如式(3)所示，可知道降低哪个基本事件发生的概率即可降低顶事件发生的概率。

(2)

式中：NG——最小割集数量；r——最小割集序数；j——基本事件序数；qj——第j个基本事件发生概率。

(3)

结构重要度的计算结果取决于故障树模型构建的准确性，与现场数据、专家判断的准确性相关；而概率重要度是通过定义各基本事件的失效概率进行计算，故关键在于基本事件初始失效概率的选取。目前，失效概率计算主要有主观法和客观法两种。客观法基于历史失效数据，但国内目前尚未建立长期有效的失效数据库，在数据共享方面欠缺较多，一般参照国外石化行业的失效数据库，但不同国家的统计标准不一致，无法直接应用到国内。因此，多采用基于专家知识判断的主观评价法，如层次分析法、模糊综合评价法、集对分析法、数据包络分析法等，但专家判断需要通过现场收集资料，根据经验判断设备失效的实际情况，对所评价对象熟悉程度要求较高，主观性较强。在此，将主观层次分析法和客观模糊概率法相结合，进行主客观赋权，提高结果的客观性和准确性。层次分析法用于对不同专家的权重进行赋值，在以往文献中介绍较多，在此只介绍模糊概率法的计算步骤。

专家在进行经验判断时，不会给出具体的失效概率，而采用自然语言代替，将基本事件发生的可能性进行细分，从很小到很大设置5个等级。自然语言模糊数如图1所示。

首先，选择站场设计、施工、安装、维修、改造、管理等方面的专家组成专家组，对各基本事件发放概率意见表，对可能性做出判断，可能性设置按照自然语言设置；其次，将自然语言转化成模糊数，给出图1对照的隶属度函数表达式如式(4)所示：

(4)

式中：a，b——自然语言模糊数的上、下限。

利用左右模糊排序算法计算最大隶属度fmax(x)和最小隶属度fmin(x)如式(5)和式(6)所示：

(5)

(6)

根据式(4)～(6)计算左、右隶属度函数的可能性值FPSL(w)，FPSR(w)如式(7)和式(8)所示：

FPSL(w)=sup[fw(x)∧fmin(x)]

(7)

FPSR(w)=sup[fw(x)∧fmax(x)]

(8)

计算总隶属度的可能性值FPS，并转化为失效概率FFR，如式(9)和式(10)所示：

FPS=[FPSR(w)+1-FPSL(w)]/2

(9)

(10)

2 案例分析

采用本文所介绍的方法，对某站场原油储罐腐蚀穿孔事件进行失效分析。

2.1 失效模式分析

储油罐是油品原材料、中间产物以及成品储存或备用的主要设备。工况条件恶劣、人员维护不当和操作不当等都可能使储罐在日常的运行中产生问题，根据文献数据和相关的资料，可以了解到储罐各部位的失效模式。一是环境开裂，它的表现形式为罐体破裂、渗透，主要发生部位为罐壁下部焊缝处或罐底焊缝处，这是由于对接焊缝处的力学因素造成应力集中，在大气环境的作用下诱发应力开裂。二是失稳失效，它的表现形式为整体倾斜式滑移、凹陷、罐顶塌陷，主要发生部位为罐壁、罐顶。三是腐蚀失效，腐蚀形态为均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀、坑蚀或台地腐蚀等。其中，腐蚀是引起储罐失效的重要原因之一，外部环境和罐内介质的共同作用会导致储罐的不同部位发生腐蚀，包括罐顶、罐壁和罐底都会受到一定程度的影响。按照油、气、水三相分层，顶板和壁板上部为气相腐蚀，壁板中部为油相腐蚀，而罐底和壁板下部为水相腐蚀。其中，罐底的腐蚀是最为严重的，这是由于游离水大部分沉积在罐底发生电化学腐蚀，根据历史大修数据，因腐蚀原因造成的储罐停产事故中底板腐蚀占较大比例。

选择储罐腐蚀穿孔作为顶事件，建立了故障树如图2所示，对应各基本事件名称见表1所列。

图2 储罐腐蚀穿孔故障树示意

表1 储罐腐蚀穿孔故障树的基本事件

2.2 软件计算

站场静设备失效分析软件在VS环境下用C#编程语言完成编制。软件的主体框架由工程管理、故障树分析、失效概率定量分析、风险评价、结果输出和帮助六大模块组成。用户输入计算所需的基本参数，软件可以自动生成故障树分析计算结果表、失效概率定量分析计算结果表和风险评价分析计算结果表，并可以自行导出使用。

以某常压油罐为例，类型为立式圆筒型，罐顶形式为浮顶。邀请3位来自现场的操作和技术专家(主要为油气集输、油气储运、腐蚀防护方向)，运用层次分析法对3位专家的权重进行赋值。通过分析，3位专家的能力权重分别为： 0.331，0.367，0.302。

根据专家判断的自然语言和权重，计算各基本事件的发生概率、概率重要度系数、重要度排序和顶事件失效概率，并根据失效概率判定失效可能性等级。储罐故障树计算结果(部分)见表2所列。

经计算，该故障树有全部最小割集130个，其中三阶最小割集有100个，四阶最小割集有30个，说明导致储罐腐蚀穿孔事件发生有130种可能性。据此，各机构管理、操作人员可以根据130个最小割集中基本事件的特性及其可能发生的条件作出比较全面的预防措施，从而保证工程运行过程中的安全性。

经计算，储罐腐蚀穿孔顶事件的失效概率为5.5×10-11，参照GB/T 26610.4—2014《承压设备系统基于风险的检验实施导则》中的失效可能性等级划分为1级。根据重要度排序，绝缘涂层问题是重要度较高的因素，包括粘结力低、破损、老化问题；阴极保护问题也是重要度较高的因素，包括电位不足、材料失效、保护方式不当。因此，应加强绝缘涂层的检测，必要时进行修复。阴极保护方式推荐为外加电流的保护方式，应随时监控电位，防止出现电位不足的情况。同时，推荐日常检测的间隔时间为1次/年。日常检测方法为宏观检查和壁厚测定。其中，宏观检查以容器铭牌、漆色、标记，本体裂纹、变形，异常振动、结露情况，焊接接头裂纹、泄漏，排污装置的检查为重点。修复时，具体参照SY/T 6220—2014《油罐的检验、修理、改建及翻建》和 SY/T 5921—2011《立式圆筒形钢制焊接原油罐操作维护修理规程》的相关规定。

2.3 结果对比

以采用软件计算的8个储罐为例，将软件计算结果与现场采用磁粉无损检测方法的结果对比，同时将软件计算结果与GB/T 26610.4—2014的分析结果对比，见表3所列。

表3 储罐计算结果对比

8个储罐中利用软件计算的失效可能性等级和检测结果相同，和利用规范分析得到的结果也相同。根据评价结果，8个储罐的腐蚀减薄情况并不严重，可以继续监控使用。

3 结束语

将层次分析法和模糊概率法结合计算基本事件失效概率，由此计算顶事件失效概率，该方法可降低主观判断的影响；通过编写失效分析软件，以原油储罐为例进行计算，失效可能性计算结果与标准规范和无损检测结果相符，根据概率重要度排序，可针对重要度较高的事件提出风险减缓措施。